Édition française de Scientific American
POUR LA SCIENCE
CAHIER SPÉCIAL
réalisé en partenariat avec
RÉFÉRENCES COULEUR
24, rue Salomon de Rothschild - 92288 Suresnes - FRANCE Tél. : +33 (0)1 57 32 87 00 / Fax : +33 (0)1 57 32 87 87 Web : www.carrenoir.com
ENGIE
logotype_solid_BLUE_CMYK 14/04/2015
C100%
Zone de protection 1
Zone de protection 3 Zone de protection 2
AVRIL 2020 NE PEUT ÊTRE VENDU
Quelles solutions
pour un avenir énergétique zéro carbone ?
GAZ OU ÉLECTRICITÉ ?
É DITO
Résilience et
DIVERSITÉ ÉNERGÉTIQUE
P
endant des années notre système énergétique a su tirer sa force de la combinaison des vecteurs énergétiques et notamment de l’électricité et du gaz.Pourquoi au moment où se développe la vision d’une transition énergétique fondée sur la complémentarité des énergies progressivement décarbonées et décentralisées, devrions-nous opposer l’électricité et le gaz ?
En dehors de l’énergie contenue dans les liaisons molécu- laires, les principes de la physique et de la chimie n’ont à ce stade pas identifié d’autres moyens de stocker l’énergie qui soient à la fois denses énergétiquement et aisément mobili- sables et transportables. C’est pourquoi les produits pétroliers ont eu un tel succès au cours du siècle dernier. Mais, condamnés notamment par leur empreinte carbone, ils sont amenés à être progressivement remplacés par le gaz (naturel puis vert).
L’essor des énergies renouvelables et intermittentes pour la production d’électricité verte accentue le besoin de développer des solutions de production, de stockage et de transport, flexibles et fiables pour répondre aux demandes du réseau électrique.
Si la neutralité carbone à l’horizon 2050 pousse naturellement à une plus forte électrification des usages et si la maîtrise de la demande (efficacité énergétique et pilotage dans le temps) a assurément un rôle à jouer, elles ne doivent pas écarter les différents vecteurs décarbonés (hydrogène, biogaz…) tout aussi indispensables à un mix énergétique à la fois décarboné et économique.
Pour répondre aux différents besoins de transition vers le « zéro carbone » de nos clients (citoyens, industries et collectivités locales) ces solutions perfor- mantes sont également primordiales.
Le présent cahier a pour ambition de montrer toute la diversité des solutions qui vont rendre effective la réduction des émissions de gaz à effet de serre et rendre réaliste l’objectif de la neutralité carbone en tirant le meilleur parti de toutes les ressources et vecteurs disponibles. Comme la biodiversité, la diversité énergétique rend notre monde plus résilient : elle doit être préservée. n DIDIER HOLLEAUX,
Directeur Général Adjoint d’ENGIE
© ENGIE / Vincent Breton
D
epuis 200 ans, l’humanité a prospéré grâce à la disponibilité d’énergies facilement stockables et transportables. La crise climatique nous impose la décarbonation de nos économies et de nos sociétés en moins de deux générations. Tous les scénarios de la transition comprennent la baisse des volumes d’énergie et sa décarbonation. Il nous faut donc à la fois consommer moins d’énergie et une énergie plus verte, qui présente autant que possible les mêmes qualités de disponibilité que les énergies fossiles.Ce cahier spécial de Pour la Science explore la diversité indispensable des solutions technologiques pour parvenir à résoudre ce triple défi : moins d’énergie, plus verte et facilement disponible. Les solutions se situent tout au long de la chaîne de valeur. Au niveau de la production, avec le biogaz, dans l’intégration des parcs solaires aux exploitations agricoles, dans le stockage avec les batteries et l’hydrogène ou au point de consommation avec des systèmes de chaud et e de froid efficaces et optimisés. Nous vous invitons à les découvrir.
De la
complémentarité indispensable
des solutions technologiques
www.pourlascience.fr
170 bis boulevard du Montparnasse 75014 Paris Tél. 01 55 42 84 00
Groupe POUR LA SCIENCE
Directrice des rédactions : Cécile Lestienne Rédacteur en chef : Maurice Mashaal Édition de ce cahier réalisé en partenariat avec ENGIE : Loïc Mangin
Direction artistique et réalisation : Ghislaine Salmon-Legagneur Correction : Maud Bruguière Marketing & diffusion : Charline Buché & Elena Delanne Direction du personnel : Olivia Le Prévost Fabrication : Marianne Sigogne et Zoe Farre Vilalta Directeur de la publication et Gérant : Frédéric Mériot
Presse et communication : Susan Mackie [email protected] Tél : 01 55 42 85 05 Imprimé en France -
Dépôt légal : Février 2019 Commission Paritaire n°0917K82079
© Pour la Science S.A.R.L.
Tous droits de reproduction, de traduction, d’adaptation et de représentation réservés pour tous les pays.
La marque et le nom commercial « Scientific American » sont la propriété de Scientific American, Inc.
Licence accordée à
« Pour la Science S.A.R.L. ».
En application de la loi du 11 mars 1957, il est interdit de reproduire intégralement ou partiellement la présente revue sans autorisation de l’éditeur ou du Centre français de l’exploitation du droit de copie (20 rue des Grands- Augustins - 75006 Paris).
Photos de couverture : AdobeStock
SOMMAIRE
4 LA RECHERCHE, UN ACCÉLÉRATEUR NÉCESSAIRE VERS LA NEUTRALITÉ CARBONE
Michael E. Webber
6 LES MOLÉCULES DE LA TRANSITION ÉNERGÉTIQUE Ronnie Belmans et Jan Mertens
10 POUR UNE DÉCARBONATION OPTIMALE Hugues de Peufeilhoux, Gauthier de Maere d’Aertrycke et Pierre-Laurent Lucille
12 LA RÉVOLUTION ATTENDUE DES BATTERIES Rafael Jahn, Dominique Corbisier et Paulo Torres 14 UN MARIAGE DE RAISON
Carole Le Henaff, Grégoire Hévin, Christian Huet et Delphine Patriarche 16 UNE MOBILITÉ ÉLECTRIQUE RÊVÉE
Laurent De Vroey
18 VERS DES CROISIÈRES PLUS PROPRES Frédéric Legrand et Gabrielle Menard
20 POUR UNE INDUSTRIE ZÉRO CARBONE Ludovic Ferrand, Philippe Buchet et Jean-Pierre Keustermans 22 L’AVENIR DES POMPES À CHALEUR
Akim Rida et Jean-Yves Druillennec
24 CHAUFFER SANS RÉCHAUFFER… LE CLIMAT ! Benjamin Haas et Mures Zarea
26 UN MONDE DÉCARBONÉ… ET CLIMATISÉ Rodolphe Desbois et Cristian Muresan
28 VERS UNE AGRICULTURE NEUTRE EN ÉMISSIONS Elodie Le Cadre Loret et Bérengère Genouville
30 POUSSER À L’OMBRE DU SOLAIRE
Jöran Beekkerk Van Ruth, Stijn Scheerlink, Rob Kursten et Claire Du Colombier
32 TRANSITION ÉNERGÉTIQUE,
L’INDISPENSABLE COMPLÉMENTARITÉ Adeline Duterque, Luc Goossens et Jan Mertens
RÉFÉRENCES COULEUR
24, rue Salomon de Rothschild - 92288 Suresnes - FRANCE Tél. : +33 (0)1 57 32 87 00 / Fax : +33 (0)1 57 32 87 87 Web : www.carrenoir.com
ENGIE logotype_solid_BLUE_CMYK 14/04/2015
C100%
Zone de protection 1 Zone de protection 3 Zone de protection 2
S
elon la définition classique forgée au début de l’ère industrielle, l’énergie est la capacité d’un sys- tème à produire un travail.Aujourd’hui, dans nos sociétés modernes, cette définition semble bien limitée par rapport à ce que l’énergie offre réellement. Dans une perspective plus large et actualisée, nous pourrions la redéfinir comme la capacité à produire des biens à haute valeur ajoutée. De fait, grâce à l’énergie nous bénéfi- cions de l’éclairage, de chaleur, d’eau propre, de nourriture abondante, de mobilité, d’informa- tion… En somme d’une simple pression sur un interrupteur ou d’une ouverture de vanne, nous profitons de tout le confort nécessaire, et bien plus encore, dans nos maisons et nos usines.
Nous lui devons nos récoltes, leur conservation par le froid, leur transport, mais aussi l’éduca- tion, la santé et la sécurité. Notre civilisation repose sur l’accès à l’énergie. Le corollaire est qu’en son absence, tout s’effondre.
Absence ne signifie pas disparition, car, les lois de la thermodynamique sont formelles, l’énergie se conserve. Nous ne pouvons pas en fabriquer plus, nous ne pouvons que la déplacer et surtout la transformer. Le cœur de notre rela- tion avec l’énergie se situe à ce niveau : exploiter à notre avantage ces transformations et conte- nir leurs impacts environnementaux. Or
La recherche,
étendre à tous les bénéfices de l’énergie sans réchauffer l’atmosphère, acidifier les océans ni éroder les terres exige de réfléchir au dévelop- pement de nouvelles solutions.
LA COMPLEXITÉ DU MONDE
Dans notre monde moderne, nous avons chacun un rapport ambivalent avec l’énergie, entre exaltation et culpabilité : c’est un sérieux dilemme. Comment pouvons-nous retirer tous les bienfaits de l’énergie sans les inconvénients associés de la pollution, de la volatilité des prix et des risques pour la sécurité nationale ?
La réponse est de reconnaître que chaque carburant ou technologie a ses avantages et ses inconvénients. La consommation d’énergie dans le monde est un système complexe qui com- porte un grand nombre d’éléments. Le secteur de l’énergie est étroitement connecté à la société par de nombreux liens, évidents ou non.
S’il est une leçon que nous devons garder à l’esprit pour relever les défis associés à l’éner- gie, c’est qu’il n’existe pas de solutions univer- selles et immédiates. Nous avons besoin d’un ensemble de solutions adaptées à chaque ter- ritoire, car aucune option unique ne peut nous conduire vers un avenir décarboné sans un inconvénient majeur : un coût très élevé, un déploiement à une échelle insuffisante ou une faible fiabilité.
un accélérateur nécessaire
vers la neutralité carbone
MICHAEL E. WEBBER Directeur de la science et
de la technologie, ENGIE © ENGIE
Cela signifie que nous avons besoin d’archi- tectes énergétiques innovants pour développer davantage d’options, réduire le coût de celles existantes et optimiser la façon dont elles s’arti- culent. L’un des enjeux d’avenir pour les pou- voirs publics sera de soutenir financièrement le monde de la recherche, dans le domaine de l’énergie, pratiquée en laboratoires industriels, nationaux et universitaires à travers le monde afin d’accélérer le rythme de l’innovation. Et parce que le défi est complexe et trop important pour qu’une entreprise ou un gouvernement puisse le relever seul, nous devons collaborer par-delà les secteurs, les disciplines universi- taires et les frontières.
La solution passe par l’abandon des vieux clichés qui opposent les combustibles fossiles aux énergies renouvelables, l’électricité au gaz et bien d’autres conflits stériles. Nous avons besoin d’une vision plus précise. Les anciennes stratégies qui nous ont conduits là où nous en sommes – forer plus, construire plus de routes, consommer plus – ne nous seront d’aucun secours. Une ferveur technologique dépassée en des gadgets plus « intelligents » ne sera pas d’une plus grande utilité. L’efficacité énergé- tique est une manière de réduire notre empreinte carbone sans réduire notre qualité de vie mais ce n’est pas assez.
Le moyen le plus rapide, le moins cher et le plus fiable d’atteindre la neutralité carbone des énergies repose sur un mix d’électricité et de combustibles à faible teneur en carbone. Nous avons besoin, d’une part, de nouvelles formes d’énergie plus propres et, d’autre part, d’une réduction des émissions des formes d’énergie conventionnelles avec, par exemple, la capture et le stockage du carbone, afin de maintenir et même d’élargir l’accès à l’énergie sans « brûler notre maison ».
Les domaines sur lesquels nous pouvons agir rapidement sont nombreux. Citons la pro- duction d’électricité à faible teneur en carbone issue de l’éolien, du solaire et de la géothermie, les gaz à faible teneur en carbone comme le biométhane, le méthane synthétique, l’hydro- gène et les vecteurs d’hydrogène (l’ammoniac, l’acide formique et le méthanol). D’autres leviers importants résident dans les technolo- gies diminuant les quantités de CO2 dans l’at- mosphère par le biais du piégeage du carbone, le captage direct de l’air et la séquestration du carbone dans le sol, ainsi que dans les outils transversaux, notamment les drones, les robots, les capteurs et l’intelligence artificielle.
On peut enfin compter sur les utilisations intel- ligentes et efficaces de l’énergie s’appuyant sur le stockage de l’énergie, les appareils intelli- gents et l’éducation des utilisateurs pour modi- fier les comportements et les habitudes.
Chez ENGIE, les programmes de recherche portés par nos équipes de chercheurs sont
organisés autour de ces thèmes, et notre ana- lyse des travaux des principaux laboratoires nationaux et des plus grandes entreprises inter- nationales du secteur révèle que nous ne sommes pas les seuls à envisager l’avenir de cette façon. De fait, nous sommes tous confron- tés aux mêmes problématiques. Peut-être pourrions-nous agir collectivement et donc plus rapidement ?
L’adoption d’un ensemble de solutions plus propres tout en améliorant l’accès à l’énergie et en fermant nos actifs les plus polluants est le chemin que nous devons emprunter vers l’ave- nir. Le changement est une chose souhaitable, et nous devons nous y atteler, mais sa mise en place est lente. Il est largement temps de nous y mettre. C’est ici que le besoin de recherche est le plus prégnant : accélérer la transition.
LE TEMPS PRESSE
Des décennies, voire des siècles, sont le plus souvent nécessaires pour passer d’un combus- tible ou d’une technologie dominante à un autre.
Aux États-Unis, le charbon est devenu la source d’énergie la plus populaire en 1885 et n’a été dépassé par le pétrole que soixante-cinq ans plus tard, en 1950. Le pétrole est toujours en tête aujourd’hui, mais pourrait bien être dépassé par le gaz naturel dans la prochaine décennie, ce qui mettrait fin à quatre-vingts ans de règne.
Si le gaz naturel présente des avantages notables en termes d’environnement et de per- formance, nous n’aurons pas quatre-vingts ans pour le remplacer par des options plus propres, comme l’électricité sans carbone ou d’autres gaz à faible empreinte environnementale. La course est lancée, à vive allure, et notre tâche, dans le monde de la recherche, est d’atteindre la dimen- sion industrielle de ces alternatives et d’en dimi- nuer les coûts afin qu’elles puissent être adoptées à grande échelle le plus rapidement possible.
Maintenant la mission de nos équipes est d’accélérer le rythme afin de relever les défis énergétiques aux côtés de nos partenaires scientifiques et académiques et de contribuer à développer les solutions énergétiques d’ave- nir qui permettront de préserver la biodiver- sité, le climat et l’inclusion sociale. n
Nous sommes confrontés aux mêmes problématiques.
Peut-être pourrions-nous
agir collectivement ?
RÉFÉRENCES COULEUR
24, rue Salomon de Rothschild - 92288 Suresnes - FRANCE Tél. : +33 (0)1 57 32 87 00 / Fax : +33 (0)1 57 32 87 87 Web : www.carrenoir.com
ENGIE logotype_solid_BLUE_CMYK 14/04/2015
C100%
Zone de protection 1 Zone de protection 3 Zone de protection 2
P
endant longtemps, la décarbo- nation de l’électricité a été per- çue comme un élément clé de la transition énergétique, notam- ment via l’essor massif des énergies renouvelables produi- sant de l’électricité. Malgré leur intermittence, le développement des technologies de l’infor- mation et celles de la gestion des données devraient assurer un fonctionnement stable et fiable de l’ensemble. La demande variant, l’offre devra également s’adapter notamment grâce à des batteries stockant le surplus ponctuel d’énergie. Mais au final, le client pourra comp- ter sur l’électricité pour bénéficier des meilleurs services énergétiques. Ce modèle « électrique », même s’il sera à coup sûr au cœur du futur sys- tème énergétique, n’en suscite pas moins des questions et des préoccupations.LA PART DE L’ÉLECTRICITÉ
D’abord, il convient de bien distinguer le sys- tème énergétique dans son ensemble de la seule production électrique, qui n’en représente qu’une petite part. En Belgique, par exemple, en 2016, 81,4 térawattheures d’électricité ont été fournis (pour une production de 85,4). Notons qu’avec l’augmentation de la pro-
duction décentrali- sée, c’est-à-dire à l’échelle locale, comme la cogé- nération (la
Les molécules
de la transition énergétique
LES AUTEURS RONNIE BELMANS,
PROFESSEUR À L’UNIVERSITÉ CATHOLIQUE DE LOUVAIN, EN BELGIQUE, DIRECTEUR GÉNÉRAL D’ENERGYVILLE, ET JAN MERTENS,
PROFESSEUR À L’UNIVERSITÉ DE GAND, EN BELGIQUE, DIRECTEUR SCIENTIFIQUE D’ENGIE
LES AUTEURS REMERCIENT LE CONSEIL SCIENTIFIQUE D’ENGIE POUR LES DISCUSSIONS RICHES ET PERTINENTES SUR LE SUJET.
Quel que soit le chemin emprunté vers un monde zéro carbone, l’offre énergétique ne pourra pas compter que sur l’électricité : des molécules comme l’hydrogène, le méthane, l’éthanol…
resteront longtemps indispensables.
production combinée de chaleur et d’élec- tricité), les éoliennes et le photovoltaïque, ces chiffres sont de moins en moins précis.
Quant à la consomma-
tion finale d’énergie globale (électricité, gaz, pétrole, charbon, biomasse, déchets), elle fut de 489 térawattheures. Plus encore, la consomma- tion d’énergie primaire, qui mesure la demande totale en énergie d’un pays, était de 657 térawat- theures. L’écart s’explique par l’énergie consommée par l’industrie chimique, la sidérur- gie, la filière nucléaire… En revanche, le transport maritime et l’aviation internationale ne sont pas pris en compte. En fin de compte, on estime que l’électricité représente 16,6 % de la consomma- tion finale d’énergie en Belgique. À l’échelle du continent européen, ce chiffre atteint 17,9 % (3 255 térawattheures d’électricité contre 18 154 d’énergie primaire).
Les lois de la thermodynamique indiquent que l’utilisation directe de l’énergie électrique est toujours à privilégier, car la transformer, par exemple en énergie chimique ou calorique, dimi- nue sa capacité à fournir du travail : en termes physiques, on dit que son indice exergétique est de 100 %. Cependant, selon les services requis, il est parfois difficile de remplacer une source d’énergie donnée par une électricité d’origine renouvelable. C’est là que les molécules peuvent compléter l’électron, voire s’y substituer. De quelles molécules parle-t-on ? Hydrogène, méthane, méthanol, éthane, éthanol…
Dans tous les cas, ces molécules devront être produites à partir d’électricité décarbonée, ou de biogaz neutre en carbone, faute de quoi la transition vers un monde sans
carbone échouera. Une alter- native, ou plutôt une solution intermédiaire, serait la capture et le stockage du CO2, voire sa
Hydrogène H 2
Méthanol
CH 3 OH
réutilisation. Autrement, seules deux sources de molécules sont neutres en carbone : celles pro- duites à partir d’eau et de CO2 à l’aide d’une énergie verte et celles, que nous n’aborderons pas ici, issues de la biomasse.
Dans les industries intensives, hautement énergivores, ce besoin en molécules est particulièrement évident, comme vecteur énergétique, mais surtout comme matière première. La synthèse d’une molécule de méthane (CH4) ou de méthanol (CH3OH) à partir de CO2 et de H2O requiert beaucoup plus d’énergie que celle, réutilisable ensuite, contenue dans la molécule elle-même. Par conséquent, ce besoin en molécules augmentera fortement la demande en énergie totale. Certains secteurs de l’industrie réclamant des molécules pour des applications spécifiques, par exemple pour la chimie spécialisée, seront à étudier au cas par cas.
Un bon exemple de l’utilité des molécules dans la réussite de la transition énergétique est la « Dunkelflaute », un terme allemand signifiant une longue période sans soleil et sans vent pendant laquelle la production d’énergie est impossible. Avec l’hydrogène, des molécules
« propres » à un (méthane et méthanol) ou deux atomes de carbone (éthane C2H6 et éthanol C2H5OH) aideront à suppléer au manque d’énergie solaire et éolienne. Il s’agira alors de choisir la mieux adaptée.
TRANSPORT ET MOLÉCULES
Les vertus de ces molécules sont souvent évidentes lorsqu’on se penche sur le secteur des transports, même si l’on doit se garder de généraliser à tous les modes. De fait, les deux roues, des vélos électriques de plus en plus plébiscités jusqu’aux motos électriques dont le marché progresse, n’ont pas besoin de molécules. Et il en va de même pour les voitures électriques des particuliers. Pour ces véhicules, la batterie est en termes de coût plus avantageuse qu’une solution à base d’hydrogène. De fait, ils profitent de l’infrastructure existante (on peut recharger facilement) et ils jouissent d’une bien meilleure efficacité énergétique, comparé par exemple aux piles à combustible qui pourraient équiper certains véhicules électriques. La prochaine décennie sera déterminante pour le développement des voitures particulières fonctionnant à l’hydrogène.
Le futur du transport de marchandises sur route est encore flou. Certes, des camions électriques équipés de batteries roulent déjà. Et Siemens expérimente de son côté une autre approche : équiper une voie d’autoroute de caténaires pour que les camions hybrides puissent rouler grâce à l’énergie électrique tout en chargeant leurs batteries, indispensables pour les premiers et les derniers kilomètres. Le besoin en molécules sera là encore faible, voire nul.
Les trains, les bus et les transports locaux seront de plus en plus électrifiés. Le transport fluvial devrait lui aussi adopter la propulsion élec- trique au moins pour une partie de son activité.
Mais on ignore encore si les batteries auront une densité énergétique assez élevée pour parcourir de longues distances, sans prendre trop de place à bord ni augmenter le poids de façon significa- tive. Les molécules auront certainement un rôle à jouer dans ce domaine, d’autant plus pour la navigation maritime, où les besoins en énergie sont nettement plus importants. Le constat est le même pour l’aviation, bien que les premiers avions électriques aient déjà effectué de courtes distances. Quant aux drones, qui occuperont une place importante dans la mobilité du futur (ser- vices de livraison, taxi dans les grandes villes…), ils sont déjà électriques.
Sans exprimer de préférence, consta- tons à ce stade que différentes molé- cules sont disponibles. Chacune ayant des avantages et des inconvé- nients, il importe de prendre en compte l’énergie requise pour leur production, celle-ci devant provenir d’un surplus d’électricité renouvelable.
L’hydrogène est très prometteur, mais pas nécessairement en tant que vecteur d’énergie. Deux sortes d’hydrogène sont bas carbone, celui produit par l’électrolyse de l’eau grâce à de l’électricité d’origine renouvelable (on parle d’hydrogène vert)
Éthane C 2 H 6
Les vertus des molécules sont souvent évidentes
lorsqu’on se penche sur le secteur des transports
© Air Liquide
RÉFÉRENCES COULEUR
24, rue Salomon de Rothschild - 92288 Suresnes - FRANCE Tél. : +33 (0)1 57 32 87 00 / Fax : +33 (0)1 57 32 87 87 Web : www.carrenoir.com
ENGIE logotype_solid_BLUE_CMYK 14/04/2015
C100%
Zone de protection 1 Zone de protection 3 Zone de protection 2
et l’hydrogène produit à partir de combus- tibles fossiles, mais dont le CO2 est cap- turé (hydrogène bleu). Cet hydrogène bas-carbone, ainsi que les combustibles de synthèse, seront essentiels à la décarbonation de vastes secteurs de l’économie mondiale et donc une aide précieuse dans nos efforts visant à limiter le réchauffement de la planète à moins de 2°C. Citons notamment l’industrie chimique, la pétrochimie, l’acier, le ciment et l’industrie papetière.
De nombreuses études vantent la pro- duction d’énergie électrique dans les déserts, des régions non seulement étendues, mais aussi très ensoleillées. La littérature indique que le Sahara et l’Australie sont des zones potentielles.
Mais comment transporter l’énergie, par exemple, du Sahara vers l’Europe ? Deux possibilités : les lignes à courant continu haute tension (CCHT), ou sous forme d’énergie chimique, c’est-à-dire de molécules. De nom- breux spécialistes évoquent l’hydrogène, mais deux questions se posent. Cette molécule est-elle la mieux adaptée du point de vue énergétique ? Est-elle la plus performante ? Il est évident que l’électricité n’est pas une option en Australie, compte tenu de la distance avec l’Europe.
L’AVANTAGE DU MÉTHANE
Détaillons la chaîne énergétique de l’hydro- gène. D’abord un électrolyseur est requis, ce dispositif produisant de l’hydrogène par l’élec- trolyse de l’eau en décomposant des molécules d’eau (H2O) en H2 et O. Or trouver de l’eau dans le Sahara, ou dans tout autre environne- ment désertique, n’est pas sans poser des diffi- cultés, mais passons.
Partons sur une efficacité de 70 % pour cette étape. Le moyen le plus efficace pour transporter l’hydro- gène en Europe est le transport sous forme liquide par bateau dans des réservoirs cryogéniques. La tem- pérature d’ébullition de l’hydrogène étant extrêmement basse (-252,87 °C), sa liqué- faction est très énergivore. Différentes valeurs de rendement existent dans la littérature, mais pre- nons là encore 70 % pour cette deuxième étape.
La consommation d’énergie liée au trans- port, y compris celui du gaz par pipeline jusqu’au site de liquéfaction situé sur la côte, est estimée à 10 % : le rendement de cette troisième étape est donc de 90 %.
L’évaporation nécessite 5 % d’énergie supplémentaire. Le bilan global à ce stade est d’environ 40 %. L’hydrogène peut ensuite être injecté directement dans le réseau de distri- bution de gaz naturel et livré au consomma- teur final en tant que tel.
L’hydrogène peut être transformé en élec- tricité sur le lieu de consommation par une pile à combustible (avec un rendement de 60 %),
aucune perte en ligne n’étant à déplorer, car la production d’électri-
cité s’effectue à proximité du consom-mateur final. Ainsi, pour une production de 1 000 mégawatts d’énergie électrique, on en obtient 251 en bout de chaîne, soit un quart.
Une autre solution consiste à convertir l’hydro- gène en méthane à l’aide de CO2 capté dans l’air ou transporté par des canalisations.
L’efficacité du procédé est estimée à 60 %. La liquéfaction ainsi que le transport du méthane sont nettement plus efficaces que l’hydrogène, avec respectivement 95 % de rendement et environ 0,1 % de perte par jour (soit 3 % par voyage). En termes d’évaporation, nous pouvons compter sur un rendement de 99 %, ce qui conduit à une efficacité globale à cette étape de 54,7 %. En ce qui concerne la produc- tion d’électricité, on peut recourir à une cen- trale classique à haut rendement (65 %). La production d’électricité étant alors centralisée, nous devons prendre en compte les pertes en ligne (92 %), ce qui donne un ren-
dement global de 32,7 %.
LA BONNE MOLÉCULE POUR LE BON USAGE
Dans cet exemple, le méthane apparaît plus avantageux. Plus lar- gement, le choix de la bonne molécule en fonction de son utilisation est étroitement lié à ses paramètres physiques (voir le tableau page ci-contre).
L’élément de comparaison pertinent est la densité d’énergie par unité de masse ou de volume. Plus la valeur est élevée, plus le vec- teur énergétique est utile, transportable, facile à stocker et, dans ce cas, adapté aux applications mobiles.
Dans des conditions normales, la densité énergétique volumique de l’hydrogène est extrêmement faible, ce qui pose des pro- blèmes de stockage et de transport. Nous pouvons atténuer quelque peu ces contraintes en augmentant la pression, mais la densité énergétique restera au mieux six fois infé- rieure à celle de l’essence. Cela constituera toujours un inconvénient majeur pour le sec- teur des transports.
Méthane CH 4
Éthanol CH 3 CH 2 OH
© petarg/shutterstock.com© Air Liquide
Offre énergétique
Énergie spécifique
MJ/kg
Densité d’énergie
MJ/l
Masse volumique kg/m3
Fioul domestique 46,2 37,3 807,359
Gaz naturel 53,6 0,0364 0,679
Méthanol 19,7 15,6 791,878
Méthane (1,013 bar, 15 °C) 55,6 0,0378 0,680
Propane (gaz de pétrole liquéfié : GPL) 49,6 25,3 510,081
Butane (GPL) 49,1 27,7 564,155
Gaz naturel liquéfié (GNL) à -160 °C 53,6 22,2 414,179
Ammoniaque liquide (sa combustion donne
de l’azote N2 et de l’eau H2O) 18,6 11,5 618,280
Kérosène 43 35 813,953
Hydrogène liquide à pouvoir calorifique supérieur (PCS), c’est-à-dire incluant l’énergie
de la vapeur d’eau dégagée 141,86 10,044 70,802
Hydrogène liquide à pouvoir calorifique inférieur (PCI) 119,93 8,491 70,800
Hydrogène PCS (1 atm à 15,5 °C) 141,86 0,01188 0,084
Hydrogène PCI (1 atm à 15,5 °C) 119,93 0,01005 0,084
Hydrogène PCI (690 atm à 15,5 °C) 141,86 5,323 37,523
Hydrogène PCI (690 atm à 15,5 °C) 119,93 4,5 37,522
Essence 46,4 34,2 737,069
Éthanol 30 24 800,000
Gasoil 45,6 38,6 846,491
Pétrole brut 41,868 37 883,730
Gaz naturel comprimé (GNC) à 250 bars 53,6 9 167,910
Biodiésel 42,2 33 781,991
À CHAQUE ÉNERGIE SES PROPRIÉTÉS
En comparaison, la densité d’énergie du méthane liquide (GNL) est plus de deux fois supérieure à celle de l’hydrogène liquide. À volume transporté égal, le méthane liquide véhicule deux fois plus d’énergie. De plus, nous l’avons vu, la faible température d’ébullition de l’hydrogène entraîne d’importantes contraintes en termes d’équipements nécessaires (réser- voirs, pompes et compresseurs).
VERT OU BLEU ?
Ainsi, on peut en conclure que dans une société sans carbone, les besoins en hydrogène d’origine renouvelable seront massifs. Cette molécule représentera une étape intermédiaire critique dans la fourniture d’énergie spécifique la mieux adaptée à chaque besoin et une matière première essentielle pour l’industrie.
Le choix entre l’hydrogène vert et son pendant bleu dépendra évidemment du coût et, plus spécifiquement pour l’hydrogène vert,
de la disponibilité des ressources énergétiques renouvelables nécessaires à sa production. En ce qui concerne l’hydrogène bleu, la question de l’opinion publique et son acceptation du stockage du CO2 se posera.
L’option consistant à capturer et stocker le CO2 est la mieux adaptée aux grandes installations, par exemple dans l’industrie chimique ou sidérurgique. Elles sont d’ores et déjà dotés de canalisations et de dispositifs de stockage. La route vers l’hydrogène vert est plus fragmentée et convient davantage, du moins au début, à des investissements moins importants.
Quelle que soit la solution retenue, il reste beaucoup de chemin à parcourir, même si certains éléments, comme les électrolyseurs, sont déjà parvenus à maturité.
Toujours est-il que les molécules, d’hydrogène ou à base de carbone, resteront longtemps indispensables pour faire de la transition énergétique une réalité. n
RÉFÉRENCES E. Hegnsholt et al., The real promise of hydrogen, Boston Consulting Group, 31 juillet 2019.
http://bit.ly/BCG-Hydro A. Scipioni et al. (éd), Hydrogen economy, Academic Press, 2017.
M. Larsson et al., Synthetic fuels from electricity for the Swedish transport sector : comparison of well to wheel energy efficiency and costs, Energy Procedia, vol. 75, pp. 1875-1880, 2015.
J. Van Mierlo et al, Which energy source for road transport in the future ? A comparison of battery, hybrid and fuel cell vehicles, Energy Convers. Manag., vol. 47, pp. 2748-2760, 2006.
U. Vol Bossel, Does a hydrogen economy make sense, proceedings of the IEEE, vol. 94(10), pp. 1826-1837, 2006.
RÉFÉRENCES COULEUR
24, rue Salomon de Rothschild - 92288 Suresnes - FRANCE Tél. : +33 (0)1 57 32 87 00 / Fax : +33 (0)1 57 32 87 87 Web : www.carrenoir.com
ENGIE logotype_solid_WHITE 14/04/2015
WHITE
Zone de protection 1 Zone de protection 3 Zone de protection 2
Pour une
décarbonation optimale
Comment l’Europe peut-elle atteindre la neutralité carbone en 2050 au meilleur coût ? Et quelles technologies mettre en œuvre pour répondre efficacement aux ambitions
du Green Deal ?
Pour des raisons d’acceptabilité et de disponi-
bilité en sites, le développement de la séquestra- tion du CO2 n’a pas été pris en compte. Mais toutes les autres technologies énergétiques, y compris les systèmes de stockage et ceux favori- sant la flexibilité, comme l’utilisation du stock de véhicules électriques en symbiose avec le réseau, concourent à répondre à l’atteinte d’un système décarboné. Celle-ci réclame néanmoins un effort ambitieux en termes d’efficacité énergétique, qui conduirait à une réduction de la demande finale en énergie de près de 41 % d’ici 2050.
Par rapport à la plupart des études dispo- nibles qui simulent des chiffres annuels, voire uniquement l’image finale en 2050, ou bien ne se focalisent que sur un sous-secteur, l’optimisation combinée de tous les usages énergétiques, à un Les pays de l’étude « Decarbonizing
Central Werstern Europe ».
LES AUTEURS
HUGUES DE PEUFEILHOUX, GAUTHIER DE MAERE D’AERTRYCKE ET
PIERRE-LAURENT LUCILLE, ENGIE
E
n décembre 2019, Ursula von der Leyen, la présidente de la Commission européenne, a officiellement lancé le pacte vert pour l’Europe (European green deal) dont l’ambition est de faire de l’Europe le premier continent neutre en carbone d’ici 2050. Dans quelle mesure est-ce un objectif atteignable ?L’étude d’ENGIE « Decarbonizing Central Western Europe » menée en 2019 dans les prin- cipaux marchés énergétiques interconnectés de l’Europe de l’Ouest (voir ci-contre) apporte des éléments de réponse. Il s’agit de l’analyse écono- mique de la réorganisation de la production d’énergie vers des sources « propres » pour pro- gressivement éliminer toute émission de CO2. Plus précisément, l’idée est de tester la faisabilité de la décarbonation en Europe de l’Ouest des secteurs électrique, chaleur et transport d’ici à 2050 et d’identifier un chemin économiquement optimal qui s’appuie sur les atouts de chacun des vecteurs énergétiques.
Outre l’électricité, terrain familier des modé- lisateurs, les autres usages énergétiques que sont la production de chaleur (industrielle et résiden- tielle), le transport et l’agriculture ont été simu- lés, afin de combiner les différents effets de substitution inhérents à la transition énergétique.
Il s’agit de trouver un nouvel équilibre d’ensemble optimisé entre électricité, biogaz, hydrogène et
biomasse pour répondre au mieux aux usages. © artjazz/
shutterstock.com
pas horaire, est un progrès décisif. Grâce à cette étude, on a désormais accès à l’impact réel des contraintes techniques et économiques, comme la saisonnalité de la consommation et de la production, les pics de consommation, ainsi qu’à l’interdépendance économique des sources de production.
Cinq scénarios ont été modélisés.
Intéressons-nous aux deux plus représentatifs de ceux qui réussissent la transition : ceux d’électrification précoce et de transition multivecteurs équilibrée. Dans le premier, l’Europe substitue son mix actuel essentiellement par de l’électricité verte, en comptant uniquement sur ses ressources domestiques pour des questions d’indépendance.
L’Europe électrifie tôt et fortement l’ensemble des usages finaux pour atteindre la décarbonation complète. Ce scénario requiert une électrification intense, supérieure à 60 % des besoins énergétiques contre 25 % aujourd’hui.
Dans le second scénario, l’Europe promeut le développement de l’électricité verte et celui des gaz verts (biométhane, hydrogène vert…).
Le continent peut cette fois importer du gaz vert de certains partenaires commerciaux. Les importations concerneraient en majeure partie du méthane de synthèse élaboré à partir d’élec- tricité verte destiné aux pays du Nord. Mais même dans ce scénario ouvert aux importations, l’indépendance de la zone Europe étudiée serait bien supérieure (82 % à 2050 contre 17 % aujourd’hui).
Dans les deux scénarios, la flexibilité du système électrique est analysée, résultant de la mobilisation optimale de chacune des res- sources, des batteries disponibles jusqu’aux centrales thermiques alimentées par des gaz verts. La tension maximale n’est plus comme aujourd’hui l’heure de plus forte demande absolue, mais la période où la différence entre cette demande et la contribution des res- sources renouvelables intermittentes est la plus forte, ce qui correspond par exemple à plusieurs jours sans vent en hiver. Le scénario d’électrification précoce est plus sensible à ces effets et doit déployer davantage de ressources de flexibilité pour y faire face. Quels sont les principaux enseignements ?
D’abord, et c’est rassurant, la neu- tralité carbone est possible selon plu- sieurs scénarios plus ou moins
électrifiés. Dans tous les cas, la tran- sition repose sur trois piliers : l’efficacité énergétique, le développe- ment massif des énergies renouve- lables électriques et une répartition optimisée des usages par vecteur. Ce dernier point conduit à l’utilisation du gaz (naturel, puis vert) là où il est peu substi- tuable et plus compétitif.
DES COÛTS IDENTIFIÉS EN DÉTAIL
Autre enseignement, la décarbonation selon le scénario multivecteurs bénéficie de coûts plus optimisés (voir la figure ci-dessous) qu’avec l’électrification. L’écart s’élève à 650 milliards d’euros, les coûts étant calculés en valeur nette actualisée de l’ensemble du sys- tème énergétique. Comment expliquer ce sur- coût ? Parce que le scénario multivecteurs n’impose ni de développer de nouvelles capa- cités de production flexibles ni de surdimen- sionner le réseau de transport et de distribution électriques pour compenser l’intermittence de l’électricité renouvelable.
L’étude montre également que les res- sources européennes en biométhane sont plei- nement valorisées dans tous les scénarios de décarbonation, associées à 500 térawattheures d’hydrogène vert, soit un peu plus que la consommation française actuelle en gaz naturel.
Le complément est apporté soit par des impor- tations de gaz verts dans le scénario multivec- teurs, soit par une production supplémentaire d’hydrogène en Europe dans le scénario d’électrification.
La France dispose en Europe d’un avantage concurrentiel sur les ressources renouve- lables – vent, soleil et biomasse – et devra toutes les solliciter. S’appuyer sur seulement deux des trois ressources conduirait à surdi- mensionner inutilement le système électrique européen, alors même que les besoins en déve- loppement annuel de capacités renouvelables s’élèvent déjà à 44 gigawatts (27 pour le solaire et 17 pour l’éolien) pendant trente ans, ce qui constitue un défi majeur tant en termes d’in- vestissement que d’acceptabilité.
Au final, si l’électrification de certains usages est indispensable, le curseur ne doit sans doute pas être poussé trop loin au risque d’une transition énergétique excessivement brutale sur le plan technique sans aucun gain environnemental. Utiliser pleinement les dif- férents vecteurs décarbonés (dont les gaz verts) permet une transition plus résiliente et moins chère lorsqu’on mesure les effets tout au long de la chaîne de valeur, et pas seulement à la production ou à la consommation d’éner- gie. Transmis à la Commission européenne ! n Les contributeurs
de la transition énergétique.
Selon le scénario, électrification massive ou multivecteurs, le surcoût (ici pour la France, en milliards d’euros, et en rouge pour l’ensemble des pays de l’étude) par rapport à une trajectoire inchangée dite « business as usual » diffère.
-300 -200 -100 0 100 200 300 400
Électrolyse/
Hydrogène
Thermique/Nucléaire Solaire/Éolien/
Hydraulique
Flexibilité
Produits pétroliers Hydrogène Réseaux Électrification
massive
Multivecteurs + 925
+ 1 575
Électricité
GazRénovation et équipements chauffage
Biogaz
TOTAL DES PAYS FRANCE
© ENGIE
RÉFÉRENCES COULEUR
24, rue Salomon de Rothschild - 92288 Suresnes - FRANCE Tél. : +33 (0)1 57 32 87 00 / Fax : +33 (0)1 57 32 87 87 Web : www.carrenoir.com
ENGIE logotype_solid_BLUE_CMYK 14/04/2015
C100%
Zone de protection 1 Zone de protection 3 Zone de protection 2
A
ncrée sur un éperon rocheux, la station Princesse Élisabeth trône en Antarctique. Cette base scientifique belge, inau- gurée le 15 février 2009, a la particularité d’utiliser exclu- sivement les énergies renouvelables grâce à l’énergie solaire fournie par des panneaux photovoltaïques et des panneaux thermiques, complétée par neuf éoliennes. Cette prouesse a été rendue possible par les nombreuses bat- teries installées pour stocker l’électricité et en gérer les intermittences.De fait, ces dispositifs seront incontour- nables pour réussir la transition énergétique vers le zéro carbone. Celle-ci requiert un essor important des sources renouvelables dont l’intermittence dépassera les limites de stabi- lité du système électrique actuel, au moins de façon locale. L’intermittence est une caracté- ristique plus complexe à gérer qu’on ne le pense. Aujourd’hui, le réseau électrique, les
La révolution attendue
des batteries
L’essor des énergies renouvelables réclame
un large déploiement de solutions de stockage de l’électricité.
Les technologies actuelles sont performantes, mais encore insuffisantes. La recherche s’active pour y remédier.
productions classiques interconnectées et les réserves de production contractées par l’opé- rateur du réseau sont souvent suffisamment développés pour atténuer les intermittences rapides (de la seconde jusqu’au quart d’heure).
Par ailleurs, la question se pose également pour les intermittences plus longues, pendant quelques heures nuageuses, durant la nuit et lors des journées sans vent ni grand soleil.
Augmenter les productions classiques mises en attente ne peut être la seule solution.
PALIER LES INTERMITTENCES
Dans un monde idéal engagé dans la transition énergétique, nous aurons besoin de stockage bon marché, sécurisé et suffisamment performant pour atténuer des fluctuations tant rapides que lentes, favoriser le développement des productions individuelles locales, soutenir la stabilité du réseau par des moyens non carbonés, stocker massivement l’électricité pour une mise à disposition modulable de l’électricité verte… Dans cette gamme de besoins, le stockage par batteries a un rôle important à jouer, mais plusieurs défis restent à relever.
Aujourd’hui, le stockage de l’énergie électrique par batterie est essentiellement fondé sur la technologie lithium-ion. Cette technologie est assurément mature, mais pas complètement La station belge Princesse Élisabeth, en Antarctique.
LES AUTEURS RAFAEL JAHN ET DOMINIQUE CORBISIER, ENGIE LABORELEC.
PAULO TORRES, ENGIE
© International Polar Foundation/R. Robert
industrialisée en pratique. Il importe donc de développer un savoir-faire autour de ce type de batterie. ENGIE s’y emploie et s’attache à rele- ver les défis technologiques et opérationnels qui ralentissent son expansion : vieillissement de la cellule électrochimique, sécurisation du sys- tème de stockage complet, recrutement en mode stationnaire des batteries automobiles, pilotage de batteries en « flotte » ou isolées…
Toutefois, pour certains usages, comme le stockage massif ou saisonnier, la technologie lithium-ion ne sera pas toujours optimale ni abordable. En effet, fournir une puissance électrique (les watts) satisfaisante est actuellement relativement bon marché, mais ce n’est pas le cas pour l’énergie électrique (les wattheures). D’autres technologies sont indispensables, et plusieurs font d’ores et déjà l’objet de grands efforts de développement.
Outre les performances, on espère améliorer la sécurité tout en diminuant les coûts. Ainsi, les batteries lithium-soufre, redox à flux, à électrolyte solide, les batteries sodium-ion ou métal-air… sont évaluées ou testées par ENGIE en laboratoire, voire en démonstrateur. Certaines de ces technologies combinent longue durée de vie à coût réduit et cycle de vie durable par rapport aux technologies actuelles qui ne font qu’ouvrir la voie. La route sera-t-elle longue ?
ANTARCTIQUE ET LITHIUM-ION
Les batteries qui équipent la station Princesse Élisabeth, installées par Engie en 2008, relèvent d’une
technologie centenaire (plomb-acide avec un électrolyte sous forme de gel, permettant de coucher la batterie, plutôt que de devoir la garder debout).
Ce ne fut pas une mince affaire de manipuler manuellement des tonnes de matériel dans des conditions de gel intense ! Mais tout fonctionna cor- rectement : la base zéro émission profita dès sa mise en service d’une éner- gie totale de 400 kilowattheures.
À cette époque, il était trop tôt pour envisager l’utilisation du lithium-ion. En Antarctique comme dans les applications spatiales, le prix n’était pas le facteur limitant. Prévalait plutôt le retour sur expérience en termes de durée de vie (dans un tel environnement) et plus encore de sécurité. Aujourd’hui, plus de quarante ans après ses balbutiements, le lithium-ion a finalement pris sa place dans les applications mobiles et de mobilité, où la taille et le poids de la batterie sont clés. Pour les applications stationnaires, en revanche, ces contraintes sont moindres et
UNE VICTOIRE AU SOLEIL !
doivent nous permettre de choisir une technologie faisant appel à des maté- riaux plus communs, moins controversés, et par conséquent encore moins chers en théorie.
Faudra-t-il attendre encore quatre décennies pour remplacer le lithium- ion ? Probablement pas, mais au moins une décennie devra s’écouler avant qu’on ne trouve et améliore le bon candidat. La circonspection sera de mise, car l’intensité de la recherche dans ce domaine et la chasse aux soutiens financiers peuvent générer bon nombre d’annonces de
« résultats sensationnels », mais finalement non confirmés, et propres à semer le doute.
En attendant, malgré les imperfections du lithium-ion, ENGIE continue à parfaire son intégration chez les utilisateurs, dans le réseau électrique ou les territoires encore non électrifiés. Tout un programme qui devient concret à grande vitesse. n
Pour certains usages, la technologie lithium-ion ne sera pas toujours
optimale ni abordable
G
agner une course, c’est bien gérer son capital énergie… L’équipe qui a remporté l’édition 2019 du World Solar Challenge (la « coupe du monde des véhicules solaires »), en Australie, en a apporté la preuve en faisant confiance à ENGIE pour la conseiller sur ce point. Les atouts pour prétendre à la victoire sont un véhicule économe, une bonne production solaire embarquée… et une batterie dont on connaît parfaitement les caractéristiques. Il s’agit de l’exploiter au mieux en fonction du vent contraire, du relief, de la température… sans tomber à court en vue de la ligne d’arrivée, mais également sans marge de sécurité trop importante.Grâce au Storage Lab d’ENGIE, qui a testé les cellules pressenties et a prodigué des conseils de mise en œuvre, les gagnants ont profité d’un pack de batteries homogène sans cellules en surexploitation.
Ils étaient informés à tout moment de l’état de charge réelle de la batterie et pouvaient optimiser les batteries avant chaque étape.
Cette gestion précise de l’énergie fut décisive.
Le vainqueur du World Solar Challenge.
RÉFÉRENCE Le site de l’équipe gagnante du World Solar Challenge 2019 : www.solarteam.be/
© agoriasolarteam
RÉFÉRENCES COULEUR
24, rue Salomon de Rothschild - 92288 Suresnes - FRANCE Tél. : +33 (0)1 57 32 87 00 / Fax : +33 (0)1 57 32 87 87 Web : www.carrenoir.com
ENGIE logotype_solid_BLUE_CMYK 14/04/2015
C100%
Zone de protection 1 Zone de protection 3 Zone de protection 2
D
epuis le lancement du Green New Deal, en décembre 2019, l’Union européenne est engagée dans un agenda positif, tourné vers l’avenir, avec des propositions propices à faire de la transition écologique un relais de croissance, dans l’intérêt de ses citoyens et entreprises.Dans ce mouvement irrésistible, les réseaux gaz et électricité ne peuvent plus être considé- rés isolément. Ils doivent au contraire être vus comme deux éléments indissociables d’un ensemble plus vaste – le système énergétique –, où le stockage de gaz, en tant que principal outil de flexibilité intersectoriel, relie intime- ment les deux secteurs. Ces liens se sont par- ticulièrement renforcés ces dernières années.
Un mariage de raison
Les opérateurs devront disposer d’importantes capacités de stockage de longue durée pour garantir la résilience du système électrique. Le stockage de gaz sera en mesure d’assurer ce rôle en convertissant l’excédent d’électricité d’origine renouvelable en hydrogène.
En effet, l’intégration des énergies renouvelables accroît le besoin de flexibilité en électricité pour répondre à leur intermittence, alors même que l’équilibre du réseau se retrouve fragilisé par l’abandon progressif des autres sources ajustables à la demande (nucléaire, charbon, pétrole…). Par ailleurs, l’électrification d’une partie de la demande finale en énergie amène le réseau électrique à devoir répondre à une demande fluctuante, avec des fortes variations incluant des pics. Ce besoin d’adaptabilité, qui épargnait jusqu’alors le réseau électrique, car la demande était plutôt stable, implique de disposer de suffisamment de capacité de stockage pour soutenir la production électrique de plus en plus imprévisible et fluctuante.
La question de la flexibilité en électricité devient un enjeu clé pour la stabilité du système. Tous les types de stockage ont un rôle à jouer, mais la plupart sont limités en termes de niveau de capacité de stockage et de durée de soutirage (voir la figure ci-dessous). Ce n’est pas le cas du stockage de gaz, appelé à devenir le principal lien entre gaz et électricité.
Aujourd’hui, la flexibilité repose essentiellement sur le stockage de gaz naturel.
Demain, elle devra se tourner vers les renouvelables. C’est notamment le sens du concept « Power to Gas ». L’idée est de transformer l’électricité issue d’énergies renouvelables en hydrogène pour fournir à terme la flexibilité nécessaire aux réseaux énergétiques.
Plus précisément, grâce à l’électricité, de l’eau est scindée par électrolyse pour produire de l’hydrogène (H2) qui sera utilisé soit directement, soit, dans une deuxième étape, pour produire du méthane (CH4) par combinaison avec du CO2 par un procédé catalytique.
HYDROGÈNE EN SOUS-SOL
Le gaz renouvelable devient ainsi un complément à l’électricité renou- velable. ENGIE, à travers sa filiale Storengy, investit dans les technolo- gies qui permettront d’adapter ses actifs de stockage à cette transition vers le zéro carbone. On pourra dès lors stocker massivement tout excès d’électricité renouvelable, actuelle- ment perdu et délesté pour éviter de contraindre davantage les équipe- ments et perturber l’équilibre du réseau.
Ces principes sont au cœur du projet STOPIL H2. Il s’agit de la réali- sation d’un pilote de stockage d’hydro- gène en cavité saline à Étrez, dans l’Ain, à 20 kilomètres au nord de Bourg-en-Bresse. Le sous-sol aux alen- tours de la commune recèle 25 cavités LES AUTEURS
CAROLE LE HENAFF, GRÉGOIRE HÉVIN, CHRISTIAN HUE ET DELPHINE PATRIARCHE, STORENGY
Traduit d’après The Value of Gas Infrastructure in a Decarbonized Europe, Frontier, 2019.
COMPARAISON DES TECHNOLOGIES DE STOCKAGE D’ÉNERGIE
Les diverses techniques de stockage de l’électricité se distinguent en termes de capacité de stockage ou de durée de soutirage. Le stockage sous la forme de gaz représente la meilleure solution.
Durée de soutirage
Condensateurs
Batteries
Méthodes de stockage Mécanique
Électrique
Électrochimique Chimique Stockage d’énergie
à volant d’inertie
Stockage d’énergie à air comprimé
Hydrogène et gaz de synthèse en stockage Centrale de
pompage-turbinage
Inducteurs
Capacité de stockage 1 an
1 mois 1 semaine 1 jour
1 heure
1 minute
1 seconde 100 ms
1 Kwh 1 Mwh 1 Gwh 1 Twh
en exploitation creusées dans une couche de sel de 650 mètres d’épaisseur entre 1 250 et 1 900 mètres de profondeur. Les grandes quantités de gaz ainsi confinées, facilement disponibles, per- mettront de répondre à des besoins de consom- mation de base ou de pointe.
Cette technologie, mature et performante, bénéficie d’un retour d’expérience de plus de cinquante ans avec le gaz naturel. Elle offre des avantages intrinsèques environnementaux et en termes de sécurité (faible espace occupé en surface, confinement du produit, inaccessibilité du fait de la profondeur, absence d’oxygène à proximité…).
Le projet STOPIL H2, financé par l’Agence nationale de la recherche (ANR), fédère des acteurs français reconnus (Storengy, Geostock, Air Liquide, BRGM, Ineris, Brouard Consulting et Armines représentant l’École des mines de Paris et Polytechnique). Il vise à totalement maîtriser les défis techniques spécifiques du stockage d’hydrogène en cavité saline.
La première phase du projet, l’étude de fai- sabilité, consiste d’ici fin 2020 à répondre à deux questions. Une cavité de stockage dans le sel est-elle imperméable à l’hydrogène ? Des cycles fréquents d’injection et de soutirage d’hydro- gène et de grande amplitude peuvent-ils porter atteinte à la stabilité mécanique d’une cavité ?
Concernant la première, l’étanchéité de la cavité et du puits est en effet une préoccupa- tion essentielle du point de vue de la sécurité et de l’efficacité du stockage. Avec des hydro- carbures, dont il existe des milliers de cavités de stockage dans le monde, cette étanchéité est vérifiée. Dans le cadre de STOPIL H2, un essai d’étanchéité à l’hydrogène sera effectué dans une cavité à environ 1 000 mètres de profondeur à Étrez (voir la figure ci-contre). L’objectif est d’obtenir des informations en vue d’industrialiser les tests d’étanchéité des futures cavités d’hydrogène.
EXPLOITATION DES CAVITÉS
Quant à la deuxième question, il est prévu un essai lors duquel l’hydrogène au sein de la cavité sera porté à une pression maximale (de l’ordre de 150 bars), celle-ci variant ensuite rapidement avant de revenir à sa valeur initiale. On saura alors si l’exploitation d’une cavité peut se faire sans désordre significatif de performance avec des cycles de pression courts et intenses, à l’instar de ce qui est aujourd’hui maîtrisé pour le stockage de gaz naturel. Une fois le concept validé, la cavité pourrait au final stocker jusqu’à 40 tonnes d’hydrogène, soit de l’ordre de 1,5 gigawattheure, destinées à court terme à une consommation locale.
Le principe acquis et étayé par de solides études scientifiques, les acteurs devront veiller à l’acceptabilité sociétale du développement
La cavité expérimentale de Storengy, à Étrez, dans l’Ain, aidera à étudier le stockage d’hydrogène en cavité saline.
Station centrale
Puits d’exploitation
Cavités salines
Couche de sel gemme des stockages souter-
rains via un dialogue avec les parties prenantes (collec- tivités locales, association, rive- rains...) s’appuyant sur les réels avantages de cette technologie.
Dans le cadre de la transition énergé- tique, le stockage souterrain de gaz, autres que le gaz naturel, sera alors primordial et essentiel au développement des nouvelles sources et consommations électriques. La performance des stockages devra répondre aux caractéristiques de l’intermittence des sources de production électrique. Pour réussir un mix électrique 100% renouvelable demain, il est nécessaire d’investir dès à présent dans l’innovation technologique pour réduire les coûts d’investissement et rendre le cadre régulatoire plus propice à l’intégration des gaz renouvelables et à leur stockage. Alors seulement on pourra répondre positivement aux échéances fixées par l’Union européenne. n
© S torengy
RÉFÉRENCES COULEUR
24, rue Salomon de Rothschild - 92288 Suresnes - FRANCE Tél. : +33 (0)1 57 32 87 00 / Fax : +33 (0)1 57 32 87 87 Web : www.carrenoir.com
ENGIE logotype_solid_BLUE_CMYK 14/04/2015
C100%
Zone de protection 1 Zone de protection 3 Zone de protection 2
2020
Lundi matin. Au sortird’une nuit trop courte, le point info trafic est sans appel : ma journée commencera dans les bouchons, et je dois en plus faire le plein ! Sur le réseau routier saturé, je suis entouré de véhicules, anonymes, avec un unique occupant.
L’horloge et les moteurs tournent, mais les roues… En ville, nouveau défi : trouver une place. Enfin, le bruit des moteurs et les gaz d’échappement accompagnent les derniers mètres à pied. Vivement le bureau !
2035. Lundi matin. Après une nuit toujours trop courte, mais plus longue d’une heure.
Mon appli préférée m’indique la meilleure option de mobilité du jour : voiture électrique partagée jusqu’à la gare, train puis deux-roues électrique en libre accès. En ville, l’effervescence est la même, mais quel bon- heur pour les oreilles et le nez depuis la fin des moteurs thermiques en agglomération ! La multimodalité et la mobilité électrique ont vraiment changé la donne. Comment a-t-on pu attendre si longtemps ?
Une mobilité
électrique rêvée
Besoin pratique ou vecteur de liberté, la mobilité et le transport sont des piliers de nos sociétés. L’indispensable réduction significative des émissions de CO2 dans le secteur des trans- ports incite un nombre croissant d’acteurs publics et privés à favoriser la mobilité élec- trique. Toutefois, l’essor de cette dernière impose que de nombreuses questions pratiques pour l’usager et pour la société soient résolues.
Elles se posent notamment en termes de recharge des véhicules électriques, tant au niveau des infrastructures requises que des flux énergétiques mis en jeu.
UNE INFRASTRUCTURE OPTIMISÉE
Plusieurs options s’offrent aux concepteurs pour déployer une infrastructure de recharge à même de satisfaire les besoins. D’abord, un pre- mier paramètre est celui de la rapidité de recharge. Une simple prise murale ajoute à une voiture 10 à 15 kilomètres d’autonomie par heure de recharge. Une borne de recharge normale délivre dans le même temps jusqu’à
L’AUTEUR
LAURENT DE VROEY, ENGIE RESEARCH
Pour gérer un parc de voitures électriques, une gestion intelligente des recharges s’impose.
L’essor de la mobilité électrique
des véhicules légers passe par
le déploiement d’une infrastructure performante et de flux énergétiques maîtrisés.
Les solutions existent.
© Sopotnicki/shutterstock.com
